В.В. Еремин, А.Я. Борщевский - Основы общей и физической химии (1113479), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Каждая функциональная группа входит в название вещества в виде приставки или суффикса (табл. 8.6), а корень определяется углеродным скелетом. Таблица 8.6. Приставки н суффиксы, отвечающие функциональным группам Большинство сложных органических веществ содержат несколько функциональных групп. Такие соединения называют полифункциональными — они характеризуются очень разнообразными химическими свойствами. Гомологические ряды. Классы органических соединений по-другому называют гомологическими рядами. Разные члены одного ряда имеют одинаковые функциональные группы, но отличаются друг от друга углеродным скелетом.
Если они содержат одинаковое число атомов углерода, то их называют изомерами, если разное, то — гомологами. Гомологи — это соединения, принадлежащие одному классу и имеющие схожие химические свойства, но отличающиеся друг от друга по составу на одну или несколько групп СНз. Этот термин ввел французский химик Ш. Жерар (1816-1856) в 1844 г., т.е. задолго до появления теории строения органических соединений.
Ближайшие гомологи отличаются по составу молекулы на одну группу СНз. Группу атомов СНз нззывают гомологической разностью. Происхождение этой формулы легко понять, рассмотрев процесс удлинения углеродной цепи: при увеличении цепи на один атом углерода происходит замена атома Н на группу СНз, поэтому молекулярная формула увеличивается иа СНз. В свое время именно гомологические ряды привлекли внимание Д. И. Менделеева к органической химии. В 1861 г. он даже написал учебник «Органическая химия» и получил за него Демидовскую премию. В этом учебнике Менделеев совсем не использовал понятие «валентности» и не рассматривал строение органических веществ (он вообще не был поклонником структурной теории), его привлекла возможность обобщений и классификации гомологических рядов, свойства которых он н рассматривал в книге. Состав гомологического ряда можно выразить одной общей формулой.
Напри- мер, предельные углеводороды алканы имеют общую формулу С„Нз„+з, где ив р о.у. Классификация органических ееи1есвге 221 натуральное число. Общую формулу любого гомологического ряда можно записать в виде СлНзл+тХ, Таблица 8.7. Формулы некоторых гомологических рядов Формула ряда С Нз~2 С Ны Функциональная группа Название алканы алкены цнклозлканы двойная связь С=С цикл любого размера две двойные связи >С=С< тройная связь — С=С— цикл и двойная связь >С=С< диены алкины цнклозлкены СлНзл-з бензольное кольцо О арены (ряд бензола) СлНзл-6 — ОН вЂ” О— предельные спирты простые эфиры СлНзлч-зО двойная связь — СН=О двойная связь >С=О двойная связь >С=С< н — ОН альдегнды кетоны ненасыщенные спирты СлНзлО О и — С вЂ” ОН одноосновные кзрбоновые кислоты С,НыОз О и — С вЂ” О— сложные эфиры бензольное кольцо О фенолы ароматические спирты СлН,л еО н группа — ОН СлНзл+зН вЂ” НН предельные амины Строго говоря, цикл не является функциональной группой где число вг и гетероатомы Х вЂ” постоянные для данного ряда.
Общие формулы некоторых распространенных гомологических рядов приведены в табл. 8.7. Происхождение этих формул легко понять, анализируя степень ненасыщенностн молекул. Насыщенные соединения — алканы и предельные спирты — содержат максимально возможное при данном углеродном скелете число атомов водорода. Каждая двойная связь (С=С или С=О) уменьшает число атомов Н на 2, цикл любого размера и состава — тоже на 2, и тройная связь С=С вЂ” на 4 атома Н по сравнению с насыщенным соединением (табл. 8.8).
Например, циклоалкены содержат один цикл и одну двойную связь, следовательно в их молекулах число атомов Н на 4 меньше, чем в алканах при таком же числе атомов углерода: СлНзл з против СлНз„.ьз. 222 Гл. 8. Основные нанятая органической химии Таблица 8.8. Степень ненасыщенностн некоторых групп атомов В гомологических рядах физические свойства веществ, как правило, меняются закономерно: по мере увеличения числа атомов углерода растут температуры плавления и кипения веществ и уменьшается их растворимость в воде. Последнее связано с тем, что углеводородная цепь имеет гидрофобный характер.
Длина углеродного скелета влияет и на химические свойства веществ: при увеличении длины скелета они все больше и больше напоминают свойства высших предельных углеводородов с тем же числом атомов углерода. Это происходит потому, что функциональная группа, определяющая специфические свойства гомологического ряда, «теряется» на фоне большой углеводородной части молекулы. Например, стеариновая кислота СпН35СООН по свойствам гораздо больше похожа на предельный углеводород октадекан СмНзз, чем на своего гомолога уксусную кислоту СНзСООН.
Химические свойства гомологических рядов наиболее ярко выражены у первых членов ряда, при этом родоначальник ряда обычно имеет особые, характерные только для него свойства. Например, муравьиная кислота НСООН вЂ” родоначальник ряда одноосновных карбоновых кислот — единственная в своем ряду окисляется аммиачным раствором АпзО и дает реакцию «серебряного зеркала«с НСООН+ АпзО =' СОз + 2АЕ) + НзО. Остальные кислоты также реагируют с АКзО, но уже как с основным оксидом, а не окислителем: 2ВСООН + АдзО = 2ВСООАд+ НзО.
88.3. СТРУКТУРНАЯ ТЕОРИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. ИЗЮМ ЕРИЯ Основные положения органической химии были сформулированы во второй половине Х)Х в. на основании опытных данных о свойствах органических веществ. Основой органической химии является струкглурная теория, или теория химического строения органических соединений, основоположниками которой считают выдающихся ученых — А.
Ф. Кекуле и А. М. Бутлерова. Главное положение теории состоит в том, что атомы в органических молекулах соединены между собой в определенном по- 1 рядке химическими связями в соответствии с их валентностью. (табл. 8.9). Углерод во всех органических соединениях четырехвалентен. А.М. Бутлеров назвал порядок соединения атомов химическим строением. Он ввел это понятие «химическое строение» задолго до того, как стало возможным определять пространственное расположение атомов в молекуле физическими методами. ф 8.3. Стрцктутттеа тюаиа отлелническал пеотт~ еаай, елтолилроа 223 Химт, бесиос от Росиис моатио аы~>ааити еотрлткеллтти оо фтт(.ч~тотолт, а которой кимл«искис свити л.салат атомами изобратка|отсат черточками.
Разнь1с вариаигы за- 224 Гл. 8. Основные понятия органической химии Сравним физические и химические свойства этих веществ (табл. 8.10). Таблица 8.10. Сравнение свойств уксусной кислоты и метилформиата Меткловый эфир муравьиной кислоты (метилформиат) НСООСН3 Уксусная кислота СНЗСООН зические свойства ограниченная (30,5 г/100 г воды) Растворимость в воде неограниченная Плотность, г/мл 1,05 0,98 Температура кипения, 'С 118 31,5 Хи мические свойства + (с выделением Нэ) + (без выделения Нэ) Реакция с (ч(а Реакция с (ч(аОН Реакция с )ь)аНСО» Соответствующие вещества — этиловый спирт СНз — СНз — ОН и диметиловый эфир СНз — Π— СНз обладают совершенно разными физическими и химическими свой- ствами.
Другой пример структурной изомерии — циановая и гремучая кислоты. Как видим, свойства этих двух веществ довольно сильно отличаются друг от друга. Уксусная кислота — высококипящая жидкость, тяжелее воды, смешивается с ней в любых количествах; метилформиат, напротив, — летучая жидкость, легче воды и ограниченно в ней растворимая. Химическая активность этих веществ также различна. Все это — следствие разного строения молекул, т.е. в данном случае разного порядка соединения атомов в молекулах.
! Изомерь« — это вещества, которые описываются одинаковой молекулярной формулой, но имеют разное строение. Явление изомерии было открыто в первой четверти Х1Х в. Два немецких химика — Ф. Велер (1800 †18) и Ю. Либих (1803-1873) исследовали разные вещества — циановую и гремучую кислоты, и обнаружили, что, несмотря на различие в свойствах, они имеют одинаковый состав. Эти ученые несколько лет обвиняли друг друга в неточности анализа состава до тех пор, пока Я. Берцелиус в результате тщательно проведенных экспериментов не убедился, что оба эти вещества описываются одной и той же молекулярной формулой — НСМО: Н вЂ )ч)=С=О Н вЂ С=И в циановая кислота гремучая кислота Берцелиус и предложил термин «изомерия».
Полное объяснение явление изомерии получило в теории строения органических веществ. Различают два основных типа изомерии — структурную и пространственную. Структурная изомерия вызвана разным порядком соединения атомов в молекуле. Например, два атома углерода и один атом кислорода можно соединить друг с другом двумя способами: С вЂ” С вЂ” О и С вЂ” Π— С Э 8.3.
Структурная теория органических соединений. Изомерия 225 В пространственных изомерах порядок соединения атомов один и тот же, однако атомы отличаются положением в пространстве относительно других атомов. Различают несколько видов структурной изомерии (рис. 8.6). Рис. 8.6. Виды структурной изомерии 1. Основной вид, который характерен для всех без исключения классов органических соединений, — изомерия углеродного скелета. Углеродные скелеты, содержашие от одного до трех атомов углерода, представлены в единственном числе: С С вЂ” С С вЂ” С вЂ” С В этих скелетах каждый атом углерода связан только с одним или двумя соседними атомами.
Такие скелеты называют неразветвленными, или нормальными. Неразветвленные скелеты могут содержать любое число атомов углерода. Если же хотя бы один атом Таблина 8.И. Число изомерных углерода связан с тремя или четырьмя соседними у"лероя""" с"еяетоз атомами углерода, скелет именуют разветвленным. Простейший разветвленный скелет содержит четыре атома углерода; С ! С вЂ” С вЂ” С С вЂ” С вЂ” С вЂ” С разветвленный скелет веразветвленный скелет СНз — СНг — СНя — СНз СНз — СН вЂ” СНз ! СНз Этим скелетам соответствуют углеводороды состава СяНю — бутан и изобутан (2-метилпропан). Последний из них впервые был синтезирован А.М. Бутлеровым. В свое время этот синтез послужил доказательством правильности теории строения. По мере увеличения числа атомов углерода, число изомерных углеродных скелетов быстро растет (табл.
8.11). Для скелетов, содержаших более сотни атомов, число возможных углеродных скелетов исчисляется астрономическими числами. Например, для СнпНззз это число превышает 10зо — число атомов в наблюдаемой части Вселенной. 226 Гя. 8. Основные понятия органической химии 2. Другой вид структурной изомерии называют изомерией положения. В одном и том же углеродном скелете возможны разные положения кратной связи С=С вЂ С в С вЂ” С= — С вЂ” С СН3 С=С СНЗ бутан-2 НС=С СНЯ СН3 бутин-1 или любого атома, кроме углерода и водорода: СН2 — СН2 — СНЗ С! 1-хлорпропан СН3 СН СНз С! 2-хлорпропан Этот вид изомерии имеется у всех классов органических соединений, кроме предельных углеводородов, у которых нет ни кратных связей, ни функциональных групп.
3. Структурные изомеры могут иметь совершенно разное строение и относиться к разным классам органических соединений !межклассовые изомеры), например; ~~О СНз — С Н этаналь (альдегнд) О l х Нзс — СН2 этиленоксид (простой эфир) Межклассовых изомеров не имеют предельные углеводороды алканы С„Нз„„з и некоторые их производные, например алкилгалогениды С„Нзн ННа! и др. Приведенная классификация видов структурной изомерии оказывается особенно полезной тогда, когда надо определить общее число изомеров, соответствующих заданной молекулярной формуле. Стратегия решения такова: сначала определяют все возможные при данной формуле классы соединений, затем отдельно для каждого класса выписывают все возможные углеродные скелеты и для каждого скелета отдельно рассматривают возможные положения кратных связей или атомов кислорода, азота и т.д.
Некоторые из предложенных структур могут оказаться неустойчивыми; реальное число изомеров может быть меньше теоретического. Например, теоретическое число изомеров состава СзНаО равно 9, однако два из них неустойчивы, поэтому реально существует 7 веществ такого состава. Структурная теория, созданная в Х!Х в., позволила объяснить большинство известных в то время случаев изомерии. Однако, существовали и такие явления, которые не находили своего объяснения в рамках этой теории. Так, были найдены пары веществ, которые обладали одинаковым химическим строением, но различались некоторыми физическими и химическими свойствами. Такие вещества позднее стали называть пространственными изомерами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
